Virtuelle Komponenten für die Erprobung realer Luftfahrzeuge
In den kommenden Jahren wird sich eine neue Generation „verstärkt elektrisch betriebener Flugzeuge“ in die Lüfte erheben. Hierbei handelt es sich um Luftfahrzeuge, die weiterhin mit fossilen Brennstoffen fliegen, aber in weitaus größerem Umfang Strom zum Betrieb ihrer Bordsysteme nutzen. Dies ermöglicht eine Reduzierung des Gewichts sowie eine Senkung des Brennstoffverbrauchs, was sich schließlich in Form von höherer Effizienz bei geringerem Schadstoffausstoß auswirken wird.
Mathematische Modelle
Zu verstehen, wie diese Systeme zusammenarbeiten werden, stellt eine Herausforderung dar. Das EU-finanzierte Projekt AEMS-IdFit diente dazu, exakte Modelle der elektrischen und elektronischen Komponenten zu erstellen und das Verhalten dieser Teile in einem Flugzeug-Prototyp zu simulieren. „Um die Eigenschaften eines geplanten Flugzeuges zu analysieren, muss das Zusammenspiel sämtlicher Komponenten überprüft werden“, erläutert Projektkoordinator Jordi Riba. „Es ist unmöglich, dies physisch zu testen. Liegen jedoch genaue mathematische Modelle vor, ist davon auszugehen, dass die Simulation sehr genau das reale Verhalten abbildet.“ Eigentlich sollten die Komponenten so funktionieren, wie beschrieben. Zu berücksichtigen ist jedoch, dass die Architektur der physischen Elektronik sowie die tatsächlichen Umgebungsbedingungen in der Praxis – dazu gehören geringer Druck, Minustemperaturen und Schwingungen – das Verhalten beeinflussen können.
Verborgenes Innenleben
„Das Problem, mit dem sich viele Herstellfirmen konfrontiert sehen, wenn sie beispielsweise einen Stromrichter kaufen, besteht darin, dass manchmal nicht bekannt ist, welche Bauteile darin enthalten sind und wie die Vorrichtung genau aufgebaut ist. Deshalb ist es schwierig, das entsprechende Verhalten vorherzusagen“, so Riba. „Der Konverter besteht aus physischen Komponenten, enthält aber genauso parasitäre Elemente, die nicht als solche in den Spezifikationen aufgeführt sind, aber bei hohen Frequenzen oder elektronischem Rauschen in Erscheinung treten.“ Außerdem weigern sich einige Fertigungsunternehmen, Informationen über die einzelnen Bestandteile und die Architektur ihrer Baugruppen preiszugeben, um ihre Betriebsgeheimnisse zu wahren – Riba nennt das „Hardware mit verborgenem Innenleben“. Dem Team ist es aber gelungen, Modelle dieser Komponenten zu entwickeln, ohne zu wissen, was sich im Inneren befindet. Um diese Modelle zu erstellen, nahmen sich Riba und sein Team von der Polytechnischen Universität Katalonien Komponenten vor und unterzogen diese einer eingehenden Überprüfung im Labor. Dabei nahmen sie Messungen bezüglich verschiedener Parameter bei unterschiedlichen Bedingungen vor und hielten die jeweiligen Eingangs- und Ausgangswerte fest. Der anschließende Aufbau virtueller Komponenten, die sich auf diese Daten stützen, geschah mithilfe von Maschinenlernalgorithmen.
Kontinuität gewährleisten
Genannte Modelle sind jetzt in den Händen des Projektmitglieds Airbus, das sie bei der Konzeption neuer Flugzeuge einsetzen wird. Unterstützt wurde die Arbeit im Rahmen des EU-Programms Horizont 2020. „Ohne die Finanzmittel hätten wir diese Arbeit nicht durchführen können, es wäre unmöglich gewesen“, fügt Riba an. „Die finanzielle Unterstützung war sehr wichtig für uns, wir haben drei Jahre lang an diesem Projekt gearbeitet und so war die Kontinuität gesichert.“ Offiziell ist das Projekt zwar abgeschlossen, aber, so erzählt Riba, das Team beschäftige sich weiter mit der Erstellung von Komponenten-Modellen für den Einsatz in der Industrie. Dabei fänden Baugruppen mit verborgenem Innenleben genauso Berücksichtigung wie Komponenten, für die genaue Pläne vorliegen. Fluggäste, die in die nächste Generation von Flugzeugen einsteigen, werden in dem Bewusstsein sicher reisen, dass das Flugzeug, lange bevor sie abhoben, bereits durch den virtuellen Raum in Ribas Computer geflogen ist.
Schlüsselbegriffe
AEMS-IdFit, Flugzeug, virtuell, Komponente, Baugruppe, Modell, mathematisch, maschinelles Lernen, Prototyp, Verhalten, parasitär
